鋰電池不一致時應(yīng)該怎么配組?

作為電動汽車的動力電源使用時，由于高功率、大容量的要求，單體鋰電池并不能滿足要求，所以需要對鋰電池進(jìn)行串、并聯(lián)組合使用。

然而，單體電池之間的不一致性常常造成電池組在循環(huán)過程中出現(xiàn)容量衰減過快、壽命較短等問題。選擇性能盡可能一致的電池用來成組，對鋰電池在動力電池中的推廣應(yīng)用具有重要意義。

本文分析了鋰電池不一致性的表現(xiàn)及成因，總結(jié)了提高鋰電池一致性的方法，并對現(xiàn)有的配組方案進(jìn)行了綜述。

一、鋰電池不一致性分析

1、鋰電池不一致性的定義

鋰電池組的不一致性就是指同一規(guī)格型號的單體電池組成電池組后，其電壓、容量、內(nèi)阻、壽命、溫度影響、自放電率等參數(shù)存在一定的差別。

單體電池在制造出來后，初始性能本身存在一定差異。隨著電池的使用，這些性能差異不斷累積，同時由于各單體電池在電池組內(nèi)的使用環(huán)境不完全相同，也導(dǎo)致了單體電池的不一致性逐步放大，從而加速電池性能衰減，并最終引發(fā)電池組過早失效。

2、鋰電池不一致性的成因

鋰電池出現(xiàn)不一致性問題的原因很多，主要是在制造過程和使用過程中產(chǎn)生的。制造過程的每個環(huán)節(jié)例如配料時漿料的均勻度、涂布時面密度及表面張力的控制等都會造成單體電池性能的差異。

羅雨等研究了鋰電池生產(chǎn)制造工藝對電池一致性的影響，重點研究了水性粘結(jié)劑體系的鋰電池生產(chǎn)制片工藝對電池一致性的影響。在電池的使用過程中，謝皎等認(rèn)為連接方式和結(jié)構(gòu)件/器件、使用工況和環(huán)境都會給電池組一致性帶來影響。因為每個連接點所消耗的能量不一致，每個元器件或結(jié)構(gòu)件的性能以及老化速率等也都不一致，因此對電池的影響也不一致。另外，由于電池中每個單體電池所處位置不同，溫度不同，性能衰減也不同，這些都會使單體電池的不一致得到放大。

3、鋰電池不一致性的表現(xiàn)

鋰電池不一致性主要表現(xiàn)在兩個方面：電池單體性能參數(shù)(電池容量、內(nèi)阻和自放電率等)的差異和電池荷電狀態(tài)(SOC)的差異。

戴海峰等研究發(fā)現(xiàn)，電池單體之間容量的差異分布接近威爾分布，而內(nèi)阻的離散程度較容量更為顯著，且同批次電池的內(nèi)阻一般滿足正態(tài)分布的規(guī)律，自放電率也呈現(xiàn)近似正態(tài)分布。SOC表征著電池的荷電狀態(tài)，是電池剩余容量與額定容量的比值，解競等認(rèn)為由于電池的不一致性，電池的容量衰減速率不同，導(dǎo)致電池間的最大可用容量存在差異。容量小的電池的SOC變化速率比容量大的電池快，充放電時更快達(dá)到截止電壓。

二、鋰電池怎么配組

1、電壓配組法：電壓配組法可分為靜態(tài)電壓配組法和動態(tài)電壓配組法。靜態(tài)電壓配組法又叫做空載配組法，不帶負(fù)載，只考慮電池本身，測量被篩選單體電池在靜置數(shù)十天后滿電荷狀態(tài)貯存的自放電率以及滿電荷狀態(tài)下不同貯存期內(nèi)電池的開路電壓，此方法操作最簡單，但不準(zhǔn)確。動態(tài)電壓配組法考察帶負(fù)載時的電壓情況，但沒有考慮到負(fù)載變化等因素，因此也不準(zhǔn)確。

2、靜態(tài)容量配組法：在設(shè)定的條件下對電池進(jìn)行充放電，由放電電流和放電時間來計算容量，按容量大小對電池進(jìn)行配組。這種方法簡便易行，但它只能反映電池在特定條件容量相同，不能說明電池的完整工作特性，有一定的局限性。

3、內(nèi)阻配組法：主要考慮單體電池的內(nèi)阻，這種方法能夠?qū)崿F(xiàn)快速測量，但是因為電池的內(nèi)阻會隨放電過程的進(jìn)行而改變，要進(jìn)行內(nèi)阻的準(zhǔn)確測定有一定的難度。

4、多參數(shù)配組法：同時考慮容量、內(nèi)阻、電壓、自放電率等多個外部條件對電池綜合評定，可以分選出一致性較好的電池組。但這種方法的前提是單參數(shù)分選時要準(zhǔn)確，同時耗時過長。

5、動態(tài)特性配組法：動態(tài)特性配組法是利用電池的充放電特性曲線來分選電池進(jìn)行配組。充放電曲線能夠體現(xiàn)電池的大部分特性，利用動態(tài)特性配組法能夠保證電池各種性能指標(biāo)的一致性。動態(tài)特性配組法數(shù)據(jù)多，通常采用計算機(jī)程序配合實現(xiàn)。此外，這種方法電池的配組利用率降低，不利于電池組成本的降低。標(biāo)準(zhǔn)曲線或基準(zhǔn)曲線的確定也是其實施過程中的難點。

三、如何提高鋰電池一致性

1、生產(chǎn)過程的控制鋰電池的一致性

生產(chǎn)過程的控制主要從原材料和生產(chǎn)工藝兩方面進(jìn)行。原材料方面盡量選取同一批次的原材料，保證原材料顆粒大小、性能的一致性。生產(chǎn)工藝上要對整個生產(chǎn)過程進(jìn)行嚴(yán)格的調(diào)控，例如保證漿料攪拌均勻、不長時間放置，控制涂布機(jī)的走速保證涂布的厚度、均勻度，極片外觀檢查、稱重分檔，控制注液量及化成、分容、儲存條件等。

羅雨通過對鋰電池制備工藝技術(shù)的研究，確定了對鋰電池一致性有重大影響的關(guān)鍵工藝，主要包括配料攪拌、涂布、輥壓、卷繞/疊片、注液和化成，并對各關(guān)鍵工藝參數(shù)與電池性能的關(guān)系做了深入研究分析。

2、配組過程的控制鋰電池的一致性

配組過程的控制主要是指對電池進(jìn)行分選，電池組采用統(tǒng)一規(guī)格、型號的電池，并且要對電池的電壓、容量、內(nèi)阻等進(jìn)行測定，保證電池初始性能的一致性。

許海濤等通過研究，發(fā)現(xiàn)在電池組配組時，單體電池的電壓差異是影響電池組充放電末期各單體電池的一致性重要因素，而單體電池的內(nèi)阻差異則造成了電池組充放電過程中各單體電池的電壓平臺出現(xiàn)較大差別。王琳霞等通過對鋰離子串并聯(lián)組合電池中單體電芯的不一致性研究，分析并聯(lián)電池組中的主要影響因素DCR對電池組造成的影響程度和串聯(lián)電池組的主要影響因素容量對電池組造成的影響程度，為組合電池包提供必要的依據(jù)。陳萍等通過放電倍率對電池配組一致性的影響研究發(fā)現(xiàn)隨著放電倍率的增大，電池的不一致性得到了放大，達(dá)到剔除不良電池的效果。

3、使用和維護(hù)過程的控制鋰電池的一致性

對電池進(jìn)行實時監(jiān)控。配組時對電池進(jìn)行一致性篩選，可保證在電池組使用初期的一致性。在使用過程中對電池進(jìn)行實時監(jiān)控，可實時觀察到使用過程中的一致性問題，但由于當(dāng)一致性差時，監(jiān)測電路會切斷充放電電路，因而性能會降低。必須找到二者之間的平衡點。也可以通過實時監(jiān)控對極端參數(shù)電池進(jìn)行及時調(diào)整或者更換，保證電池組的不一致性不會隨時間而擴(kuò)大。

引入均衡管理系統(tǒng)。采用適當(dāng)?shù)木獠呗院途怆娐穼﹄姵剡M(jìn)行智能管理。目前常見的均衡策略包括基于外電壓的均衡策略、基于SOC的均衡策略和基于容量的均衡策略。而均衡電路按能量消耗方式可以分為被動均衡和主動均衡。其中主動均衡能夠?qū)崿F(xiàn)電池間的無損能量流動，是國內(nèi)外研究的熱點。主動均衡中常用的方法有電池旁路法、開關(guān)電容法、開關(guān)電感法、DC/DC變換法等。

對電池進(jìn)行熱管理。對電池進(jìn)行熱管理除了盡量將電池組的工作溫度保持在最優(yōu)的范圍之內(nèi)，還要盡量保證電池之間溫度條件的一致，從而有效的保證各電池之間的性能一致性。采用合理的控制策略。在輸出功率允許的情況下，盡量減小電池放電深度，同時，避免電池的過充電，可延長電池組的循環(huán)壽命。加強(qiáng)對電池組的維護(hù)。間隔一定時間對電池組進(jìn)行小電流維護(hù)性充電，還要注意清潔。

四、結(jié)論

1、引起電池不一致性的原因主要在電池的制造和使用兩方面。

2、提高電池一致性的措施主要有以下三方面：從原材料和生產(chǎn)工藝兩方面對生產(chǎn)過程進(jìn)行的嚴(yán)格控制;采用更科學(xué)的分選辦法，盡可能選擇初始性能一致的電池進(jìn)行配組;在電池使用和維護(hù)過程中，對電池進(jìn)行實時監(jiān)控，引入均衡管理系統(tǒng)，采用合理的控制策略，對電池進(jìn)行熱管理，同時還要加強(qiáng)對電池組的維護(hù)。

3、電池配組時，單參數(shù)配組法由于考慮的因素太少，不具有實際應(yīng)用價值。多參數(shù)配組法和動態(tài)特性配組法相對較全面，另外電化學(xué)抗譜法等方法也取得了一定進(jìn)展。